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La Biorremediación Como Técnica Para La Descontaminación De Suelos Contaminados Por Hidrocarburos En Los Municipios Del Bloque Cpo9 Anderson Stivel Ruiz Olarte Junio 2019. Universidad Nacional Abierta y a Distancia Acacias-Meta Especialización En Gestión De Proyectos i Dedicatoria Dedico este trabajo en primera instancia: A mis Padres ejemplos de inspiración para mí, por sus sacrificios y esfuerzos y amor incondicional. Por su confianza en mí cuyo apoyo no hubiera sido posible llegar a este momento. Al profesor, por el tiempo incondicional que me brindo transmitiendo sus conocimientos hacia mí y por su desempeño en la enseñanza, convirtiéndome en un profesional A nuestros compañeros de la UNAD , quienes somos los más interesados en conocer de este tema que nos va a servir para el futuro por el desempeño demostrado en la realización del trabajo y el esfuerzo por la superación del mismo. ii Agradecimientos El presente trabajo ,más que un requisito de grado es la fidelización de una larga etapa en la que fue necesario mucho sacrificio y en el que muchas personas me contribuyeron .La Universidad Nacional Abierta y a Distancia la cual fue un espacio propio para la consolidación de un gran proyecto de vida . Mis mas sinceros agradecimientos a al licenciado Rubiel Guevara Garzón por su disposición y por sus valiosos aportes en la construcción de este documento iii Abstrac This research proposal arises from the question: ¿How can we avoid hydrocarbon pollution in the municipalities of the CPO9 block. The hypothesis is focused on making bioremediation known as an alternative to offset the pollution that the oil industries have caused to the environment in the department of Meta, especially in the municipalities of the CPO9 block (Acacias, Guamal, Cubarral, San Martin and Castilla) the new one). Both in the distribution and transport, have generated accidental spills of hydrocarbons, these are some of the activities that cause the deterioration of the environment accumulating directly or indirectly in soil and water. Pollution of waters with hydrocarbons is an environmental problem that causes ecological damage of great importance with a negative effect in different areas (fishing, health, agriculture) and therefore causes a concern at a scientific level. Pollution in the case of soils their main environmental consequences that arise after an oil spill event are: the reduction or inhibition of the development of plant cover, changes in the population dynamics of the fauna, microbial biota and pollution by infiltration to underground bodies of water. In addition to the negative impact of economic type of public and social health in areas surrounding the affected area. Bioremediation arises from the need to reduce the environmental impact that this entails, in order to detoxify pollutants in different environments (rivers, pipes and soils) using microorganisms, plants or enzymes of these, strategically. Thanks to biotechnology, various strategies have been developed in order to restore soil and environmental quality, according to the needs and iv dimensions of the problem. The factors that condition Bioremediation, advantages, disadvantages and characteristics of each of its methods are taken into account. v Tabla de contenido Resumen ...........................................................................................................................................5 Introducción ...................................................................................................................................11 1. Objetivos ..............................................................................................................................13 1.1 Objetivo general ...................................................................................................................13 1.2 Objetivos específicos ...........................................................................................................13 2. Marco teórico ......................................................................................................................14 2.1. El petróleo ...........................................................................................................................14 2.1.1 Composición del petróleo ...................................................................................................16 2.1.1 Composición general ................................................................................................16 2.1.2 Composición del crudo según su origen ...................................................................17 2.1.3 Composición por familias de hidrocarburos .............................................................18 2.1.4 Impactos ambientales de los hidrocarburos ..............................................................20 2.2 Los suelos..............................................................................................................................21 2.2.1 Composición del suelo ..............................................................................................22 2.2.2 Materia orgánica de un suelo ....................................................................................23 2.2.3 Estructura y agregación de un suelo .........................................................................24 2.2.3.1 Estructura de un suelo ..................................................................................24 2.1.3.2 Agregación de un suelo ...............................................................................25 2.1.3.3 Humedad de un suelo ..................................................................................25 2.1.3.4 Gases de un suelo ........................................................................................26 3. Biorremediacion .....................................................................................................................28 3.1 Antecedentes de la biorremediación ......................................................................................30 3.2 Ventajas y desventajas de la biorremediación ........................................................................31 3.2.1 Ventajas........................................................................................................................31 3.2.2 Desventajas ..................................................................................................................32 3.3 Factores que condicionan la biorremediación.........................................................................32 3.3.1 Factor medioambiental .................................................................................................33 3.3.2 Factor físico .................................................................................................................36 3.3.3 Factor químico ............................................................................................................38 3.3.4 Factor microbiológico .................................................................................................38 3.4 Tipos de biorremediación .......................................................................................................39 4.4.1. Degradación enzimática ..............................................................................................40 4.4.2 Fito remediación..........................................................................................................40 4.5.2 Remediación microbiana .............................................................................................41 3.5 Tecnologías de biorremediación ............................................................................................42 4.5.1 Biorremediación in-situ .............................................................................................42 4.5.2 Biorremediación ex - situ ...........................................................................................46 3.6 Microorganismos degradadores del petróleo .........................................................................52 4. Análisis para el presente estudio ............................................................................................55 4.1 Actividad petrolera en los municipios que conforman el bloque cpo9 ........................................................................................................................55 3.1.1. Nuevas exploraciones petroleras ................................................................................55 vi 3.1.2. Contaminación por hidrocarburos en los municipios del bloque cpo9 ......................57 3.1.3. Transporte de hidrocarburos en el meta .....................................................................60 4.2 Resumen analítico de investigación ........................................................................................60 5. El compostaje como una estrategia de biorremediación .........................................................72 5.1 Propiedades del compostaje ....................................................................................................72 5.2 Materia prima del compostaje .................................................................................................72 5.3 Factores que condicionan el proceso de compostaje ..............................................................73 5.4 Proceso del compostaje ...........................................................................................................75 5.5 Tipos de sistemas del compostaje ...........................................................................................75 Discusión final Conclusiones Recomendaciones Glosario Bibliografía vii Lista de figuras Figura 1. Tipos de biorremediación ............................................................................................39 Figura 2 Microorganismos que degradan los hidrocarburos contaminación rio Orotoy… .......53 Figura 3. Mapa del bloque CPO9Forma de transporte de los hidrocarburos..............................56 Figura 4, Forma de transporte de los hidrocarburos ..................................................................57 Figura 5. Contaminación rio Orotoy ..........................................................................................60 Figura 6. Representación de un sistema de compostaje en hilera ...............................................76 Figura 7. Representación de compostaje en pilas estáticas.........................................................76 viii Lista de ficha Rai Ficha rai 1. Resumen analítico investigación en Colombia ..........................................................60 Ficha rai 2. Resumen analítico investigación en Bucaramanga… .................................................62 Ficha rai 3. Resumen analítico investigación en Medellín ............................................................64 Ficha rai 4. Resumen analítico investigación Bogotá ...................................................................67 Ficha rai 5. Resumen analítico investigación Bogotá ...................................................................68 Ficha rai 6. Resumen analítico investigación Pereira ....................................................................70 ix Resumen Esta propuesta investigativa surge de la pregunta: ¿Cómo podemos evitar la contaminación por hidrocarburos en los municipios del bloque CPO9? La hipótesis va enfocada en dar a conocer la Biorremediación como una alternativa para contrarrestar la contaminación que han generado las industrias petroleras al medio ambiente en el departamento del Meta, especialmente en los municipios del bloque CPO9 (Acacias, Guamal, Cubarral, San Martin y castilla la nueva). Tanto en la distribución como en el transporte, han generado derrames accidentales de hidrocarburos, estas son algunas de las actividades que ocasionan el deterioro del ambiente acumulándose directa o indirectamente en suelos y agua. La contaminación de aguas con hidrocarburos es un problema medioambiental que ocasionan daños ecológicos de gran importancia con un efecto negativo en diferentes ámbitos (pesca, salud, agricultura) y por ello provoca una preocupación a nivel científico. La contaminación en el caso de los suelos sus principales consecuencias ambientales que surgen después de un evento de derrame por hidrocarburos son: la reducción o inhibición del desarrollo de la cobertura vegetal, cambios en la dinámica poblacional de la fauna, de la biota microbiana y contaminación por infiltración a cuerpos de agua subterráneas. Además del impacto negativo de tipo económico de salud pública y social en zonas aledañas al lugar afectado. La Biorremediación surge de la necesidad de disminuir este impacto ambiental que esto conlleva, con el fin de desintoxicar contaminantes en los diferentes ambientes (Ríos, caños y suelos) usando microorganismos, plantas o enzimas de estos, de manera estratégica. Gracias a la x biotecnología que han desarrollado diversas estrategias con el fin de restaurar el suelo y la calidad ambiental, de acuerdo con las necesidades y dimensiones del problema. Se tienen en cuenta los factores que condicionan la Biorremediación ventajas, desventajas y características de cada uno de sus métodos. 11 Introducción El Meta es uno de los Departamentos más productores de petróleo de Colombia, donde se ha generado un impacto ambiental grande por su extracción y transporte, etc. Por esta razón aparece la preocupación de continuar con procesos de crecimiento económico, mitigando y previniendo al máximo estos impactos ambientales sobre los ecosistemas y conservando sus funciones. Por esto surge lo que conocemos como Desarrollo Sostenible, que se establece como un compromiso tanto de las empresas privadas como públicas. (Ecopetrol, institucionalidad y empresas aliadas). Ha sido necesario que existan estrategias de gestión ambiental orientadas a resolver, prevenir y/o mitigar estos problemas de carácter ambiental; esto implica que los recursos naturales sean racionalmente; por una parte, implementando medidas preventivas y por otras tecnologías que contribuyan a reducir y corregir estos impactos. Existen muchas tecnologías de remediación de suelos contaminados y de acuerdo a Volke y Velasco (2002) se pueden agrupar en 3 tipos: Biológicos (Biorremediación, bioestimulación, fitorremediación, biolabranza, etc.), en donde las actividades metabólicas de ciertos organismos permiten la degradación, transformación o remoción de los contaminantes a productos metabólicos inocuos; Fisicoquímicos (electrorremediación, lavado, solidificación/estabilización, etc.), aquíse toma ventaja de las propiedades físicas y químicas de los contaminantes para destruir, separar o contener la contaminación; y Térmicos (incineración, vitrificación, desorción térmica, etc.), en los cuales se utiliza calor para promover la volatilización, quemar, descomponer o inmovilizar los contaminantes en un suelo. 12 La Biorremediación puede emplear organismos autóctonos del sitio contaminado o de otros sitios (exógenos), puede realizarse in situ o ex situ, en condiciones aerobias (en presencia de oxígeno) o anaerobias (sin oxígeno). Aunque no todos los compuestos orgánicos son susceptibles a la biodegradación, los procesos de Biorremediación se han usado con éxito para tratar suelos, lodos y sedimentos contaminados con hidrocarburos del petróleo. Con este proyecto se pretende realizar una revisión bibliográfica de la Biorremediación y los métodos más conocidos de dicha técnica para darla a conocer a las instituciones ambientales encargadas en los municipios del Bloque CPO9. Se tiene en cuenta los factores que condicionan la Biorremediación, ventajas, desventajas y características de cada uno de sus métodos, el compostaje como estrategia para darlo a conocer e implementarlo para descontaminar los suelos por los hidrocarburos. PALABRAS CLAVES: Biorremediación, Biodegradación, Contaminación, Desarrollo Sostenible, Hidrocarburos, Microorganismos. 13 1. Objetivos 1.1 Objetivo General Investigar la efectividad que tiene la Biorremediación en los suelos contaminados por hidrocarburos, para darla a conocer en los municipios que comprende el boque CPO9 en el Meta. 1.2 Objetivos Especificos. 1. Estudiar la capacidad que tienen los microorganismos para degradar los hidrocarburos. 2. Comparar técnicas de Biorremediacion para mejorar los suelos contaminados por hidrocarburos. 3. Establecer la estrategia del compostaje, enfocadas al manejo ambiental generado por el derrame de hidrocarburos. 4. Desarrollar el sistema de biorremediación Ex Situ como una alternativa para descontaminar los suelos contaminados por los hidrocarburos, para impulsarlo en los municipios del bloque CPO9 y así mitigar su impacto ambiental. 14 2. Marco teórico. 2.1 El petróleo. El petróleo es un recurso natural no renovable, es el resultado de la degradación anaeróbica de materia orgánica, durante largos períodos de tiempo y bajo condiciones de alta temperatura y presión, que la convierte en gas natural, crudo y derivados del petróleo. El petróleo es una mezcla extremadamente compleja y variable de compuestos orgánicos, donde la mayoría de ellos son hidrocarburos, que varían en peso molecular desde el gas metano hasta los altos pesos moleculares de alquitranes y bitúmenes. Estos hidrocarburos pueden presentarse en un amplio rango de estructuras moleculares: cadenas lineales y ramificadas, anillos sencillos, condensados o aromáticos. Los dos grupos principales de hidrocarburos aromáticos son los monos cíclicos, el benceno, tolueno y xileno (BTEX) y los hidrocarburos poli cíclicos (PAHs) tales como el naftaleno, antraceno y fenantreno (Vargas, P., et al., 2004). El petróleo y sus derivados, han sido una fuente de energía y materia prima, que el hombre ha aprovechado en su beneficio, para el transporte aéreo, acuático y terrestre, se utiliza en las industrias químicas, farmacéuticas, manufactura de plásticos y materiales diversos, incluyendo sus primeros usos: de impermeabilización, iluminación, como generador de electricidad, este corresponde al energético más importante en la historia de la humanidad, alimenta un porcentaje muy alto del consumo de energía del mundo, entre el 32% de Europa y Asia, hasta el 53% de Oriente Medio, en Sudamérica y América Central el 44%, África el 41% y Norteamérica el 40% (Vasallo, J., y Herrera, D., 2002). 15 La historia del petróleo como elemento vital y factor estratégico de desarrollo es relativamente reciente, de menos de 200 años. Se comercializó por primera vez bajo el nombre de "aceite de roca", en el año 1850, Samuel Kier, un boticario de Pittsburg, Pennsylvania de EE.UU., a partir de entonces se puede decir que comenzó el desarrollo de la industria del petróleo y el verdadero aprovechamiento de un recurso que indudablemente ha contribuido a la formación del mundo actual (Vasallo, J., y Herrera, D., 2002). El petróleo contiene tal diversidad de componentes que difícilmente se encuentran dos tipos idénticos. Existen parámetros internacionales, como los del Instituto Americano del Petróleo (API) que diferencian sus calidades y por tanto su valor. Así, entre más grados API tenga un petróleo, mejor es su calidad. Los petróleos de mejor calidad son aquellos que se clasifican como "livianos", "suaves" y/o "dulces". Los llamados "livianos" son aquellos que tienen más de 26° API. Los "intermedios" se sitúan entre 20º y 25º API, y los "pesados" por debajo de 20º API. El sector petrolero en Colombia ha tenido una importancia creciente en la economía del país en los últimos años. Este sector es estratégico para la economía por su alta participación en el producto interno bruto, porque genera un porcentaje muy alto de las exportaciones totales y porque es también una fuente muy importante de recursos fiscales para el gobierno nacional y para los gobiernos seccionales (Vargas, P., et al., 2004). 16 La degradación microbiana constituye el principal proceso de descontaminación natural (Prince, 1993). Este proceso se puede acelerar y/o mejorar mediante la aplicación de tecnologías de biorremediación (Alexander, 1999). El crudo de petróleo se caracteriza por ser una matriz contaminante que contiene una elevada diversidad de compuestos, por lo que es un sustrato ideal para evaluar el potencial catabólico de cepas o consorcios microbianos de interés en biorremediación. 2.1.1 Composición del Petróleo 2.1.1.1 Composición General El crudo de petróleo se caracteriza por ser un líquido negro, viscoso y con una composición química sumamente compleja, pudiendo contener un sin número de compuestos, básicamente de la familia de los hidrocarburos (Rossini, 1960). Los hidrocarburos hacen parte de la familia predominante de compuestos5, por lo que constituyen uno de los grupos de contaminantes ambientales más importantes, tanto por su abundancia, como por su persistencia en distintos compartimentos ambientales (Casellas et al., 1995). En su mayoría son alcanos de cadena lineal (n – alcanos o n – parafinas), alcanos ramificados (en menor cantidad), ciclo alcanos (o naftenos) y cantidades variables de hidrocarburos aromáticos. (Fernández et al., 1992). La composición elemental de un crudo está condicionada por la predominancia de los compuestos tipo hidrocarburo: 84 a 87% de carbono (C), 11 a 14% de hidrógeno (H), de 0 a 8% de azufre (S), y de 0 a 4% de oxígeno (O) y nitrógeno (N) y metales 17 como el níquel y el vanadio (Clark y Brown 1977; Howe-Grant, 1996). Los principales componentes se subdividen y purifican en distintas fracciones: Fracción saturada: n-alcanos, alcanos ramificados con cadenas alquílicas, las cicloparafinas o cicloalcanos y los hópanos. Fracción aromática: Hidrocarburos Mono aromáticos, diaromáticos y aromáticos policíclicos (HAP). Fracción de resinas: Agregados de piridinas, quinolinas, carbazoles, tiofenos, sulfóxidos y amidas. Fracción de asfaltenos. Agregados de HAP, ácidos nafténicos, sulfuros, ácidos grasos, metaloporfirinas, fenoles polihidratados. Son menos abundantes y consisten en compuestos más polares, pudiéndose encontrar hidrocarburos heterocíclicos, hidrocarburos oxigenados y agregados de alto peso molecular (Speight, 1991). 2.1.1.2 Composición del crudo según el origen. La composición de un crudo varía según su localización (Müller,1987). Habitualmente, todos los crudos de petróleo (no degradados) contienen alcanos (de cadena lineal y ramificada, de C1 a C40 aproximadamente, cicloalcanos o naftenos e hidrocarburos aromáticos. Las fracciones de punto de ebullición menor, están formadas por alcanos en todos los casos, mientras que la composición de las fracciones superiores varía según la fuente del petróleo. Se denomina crudo parafínicos o ligero cuando el crudo contiene una elevada proporción de parafinas (n – alcanos y alcanos ramificados), y asfáltico o pesado si predominan naftenos (cicloalcanos), alcanos de 18 cadena larga (C30 a C45) y HAPs (Howe- Grant, 1996). Según el origen, se tienen crudos parafínicos o asfálticos 2.1.1.3 Composición por familias de hidrocarburos. El estudio más detallado de los hidrocarburos de un crudo de petróleo agrupa estos compuestos en las siguientes familias: Parafinas volátiles. Representan hasta un 30% del crudo de petróleo. Son n – alcanos e isoprenoides (alcanos ramificados) de un tamaño C1 a C10 6. Es la fracción más volátil del crudo y por lo tanto la más susceptible de pérdidas abióticas por volatilización. La fracción gas natural contiene, principalmente C1 a C5. Los isoprenoides volátiles, están representados principalmente por el isobutano e isopentano. Los isoprenoides volátiles también pueden llegar hasta C10 (2,6 dimetil octano) (Howe-Grant, 1996). Parafinas no volátiles: Se definen como aquellos n – alcanos e isoprenoides entre C11 y C40. Los n – alcanos oscilan entre C11 y C40, aunque se han descrito cadenas más largas y pueden constituir entre el 15 y 20% de crudos no degradados; mientras que los isoprenoides varían de C12 a C22 y constituyen entre 1-2% del crudo, llegando a 15% en crudos degradados. Los componentes entre C11 y C15 son de volatilidad intermedia. Naftenos: Esta familia está compuesta por las cicloparafinas o cicloalcanos. Los compuestos más abundantes de esta familia son los ciclopentanos alquilados (fundamentalmente metilados), que pueden llegar a representar un 31% del crudo. Los compuestos mono y dicíclicos corresponden entre el 50 y 55% de esta fracción, los 19 tricíclicos al 20% y los tetracíclicos al 25%. Esta familia engloba a los hópanos (Howe- Grant, 1996). Oleofinas. Son alquenos, los cuales están poco presentes en el crudo de petróleo, encontrándose en concentraciones traza. Adquieren importancia en los productos resultantes del refinado, ya que se generan durante el proceso de cracking, existiendo hasta un 30% en gasolinas y un 1% en fueles. Aromáticos: El crudo de petróleo contiene una mezcla muy compleja de hidrocarburos aromáticos. Esta fracción la componen moléculas que contienen uno o varios anillos bencénicos en su estructura. Así se encuentran hidrocarburos mono aromáticos (un anillo bencénico), di aromáticos (2 anillos bencénicos) y poli aromático (HAPs, con más de dos anillos bencénicos). (Howe-Grant, 1996). Resinas y asfáltenos: Se trata de mezclas complejas, integradas por núcleos policíclicos o naftenoaromáticos. Contienen cadenas hidrocarbonadas con heteroátomos de oxígeno, nitrógeno y azufre (componentes NOS del petróleo) y a veces están asociadas con pequeñas concentraciones de metales como el vanadio y el níquel. Constituyen entre un 10% en crudos poco degradados o ligeros, hasta un 60% en crudos muy degradados. Es la fracción que presenta una mayor recalcitrancia de un crudo de petróleo. Se trata de agregados de piridinas, quinolinas, carbazoles, tiofenos, sulfóxidos, amidas, HAP, sulfuros, ácidos nafténicos, ácidos grasos, metaloporfirinas y fenoles polihidratados. (Howe-Grant, 1996). 20 2.1.1.4 Impactos ambientales de los hidrocarburos. En la actividad petrolera, las disposiciones y el manejo habitual de hidrocarburos y combustibles, en algunos casos conlleva a la contaminación del ambiente, cuando tanques, oleoductos y diversas instalaciones sufren daños. Los líquidos migran hacia el suelo, subsuelo (zona vadosa) y hacia el agua subterránea (zona saturada – acuífero) o superficialmente hacia un bajo topográfico o curso de agua, y sus componentes volátiles a la atmosfera. No solo las contaminaciones se producen por roturas de los sistemas de almacenaje o de transporte, sino que el mal manejo del producto puede provocar impactos negativos en la ecología regional (Vasallo, J., y Herrera, D., 2002). El petróleo en el suelo, que pasa a considerarse como un contaminante, se convierte en un riesgo para la salud humana y el ecosistema. En algunos casos la contaminación no solo provoca problemas de toxicidad, sino que además puede ocasionar grandes riesgos de explosiones y/o incendios. "la contaminación por hidrocarburos” de petróleo ejerce efectos contraproducentes sobre las plantas indirectamente, generando minerales tóxicos en el suelo disponible para ser absorbidos, además conduce a un deterioro de la estructura del suelo; pérdida del contenido de materia orgánica; y pérdida de nutrientes minerales del suelo tales como potasio, sodio, sulfato, fosfato, y nitrato” de igual forma, el suelo se expone a la lixiviación y erosión. La presencia de estos contaminantes, ha dado lugar a la pérdida de la fertilidad del suelo, bajo rendimiento de cosechas, y posibles consecuencias perjudiciales para los seres humanos y el ecosistema entero. La industria petrolera en su conjunto ha tenido un gran impacto negativo en materia ambiental. Debido a la amplia gama de productos derivados del petróleo que se manejan y que no ha sido 21 posible evaluar cuantitativamente la contaminación involucrada desde la fase de explotación hasta la obtención de los petroquímicos básicos, ni del seguimiento a la infraestructura petrolera, esta se integrada por: Pozos de explotación. Baterías de separación. Complejos procesadores de gas. Centrales de almacenamiento y bombeo. Redes de ductos y piletas para el confinamiento de desechos sólidos y líquidos procedentes de la perforación y mantenimiento de los pozos. Transporte y distribución en general. Estas instalaciones poseen riesgos inherentes de fugas de petróleo, diésel y gasolina por roturas de los ductos, por filtración de aguas aceitosas, por daños en las estructuras de almacenamiento y transporte, por malas prácticas, entre otras, lo cual genera un riesgo a nivel de la contaminación ambiental e impactos negativos a los ecosistemas (Vasallo, J., y Herrera, D., 2002). 2.2 Los Suelos. Se denomina suelo al sistema estructurado, biológicamente activo, que tiende a desarrollarse en la superficie de las tierras emergidas por la influencia de la intemperie y de los seres vivos. Se trata de un sistema formado por componentes minerales, componentes orgánicos (humus y derivados, biomasa viva y muerta), gas (aire en el espacio existente en los poros), y agua envolviendo partículas y el espacio capilar (Alexander, 1991). 22 El suelo constituye la interfaz entre la tierra, el aire y el agua, lo que le confiere la capacidad de desempeñar tanto funciones naturales como de uso antropogénico. Los suelos proporcionan soporte físico y nutriente para el crecimiento de las plantas y los microorganismos. Existe una gran variedad de microorganismos (bacterias, actinomicetos, hongos, algas y protozoos) que casi siempre están presentes en ellos, aunque las densidades de población de las mismas varían ampliamente. La superficie de los suelos constituye el lugar donde se producen la mayoría de las reacciones bioquímicas pertenecientes al ciclo de la materia orgánica, el nitrógeno y otros minerales, a la meteorización de las rocas y a la toma de nutrientes por parte de las plantas (Alexander, 1991). 2.2.1 Composición del suelo La matriz de un suelo está compuesta por cinco componentes principales: Minerales. Los materiales mineralesconstituyen los principales componentes estructurales de los suelos y suponen más del 50% del volumen total. Aire – agua. Conjuntamente constituyen el volumen de poros, que, por lo general, ocupa entre el 25 y 50% del volumen total. La proporción aire – agua varía considerablemente con la humedad del suelo. Organismos vivos. Ocupan menos del 1% del volumen. Materia orgánica. Oscilan entre el 3 y 6% del volumen, con valor medio. 23 La fracción mineral. El mineral predominante en un suelo es el dióxido de silicio (SiO2). Igualmente se encuentran en abundancia el aluminio y el hierro, mientras que el calcio, magnesio, potasio, titanio, manganeso, nitrógeno, azufre, sodio y fósforo están presentes en menor cuantía (Alexander, 1991). La composición química varía de un suelo a otro y, en un mismo suelo, a diferentes profundidades. Los microorganismos obtienen parte de los nutrientes que necesitan de la fracción mineral del suelo, siendo dichos nutrientes nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio, azufre, hierro, calcio, manganeso, zinc, cobre y molibdeno. Sin embargo, los microorganismos pueden disponer con facilidad únicamente de una pequeña parte de estos minerales, convirtiéndolos más en una provisión de lento empleo, que en una fuente de rápido uso. Los suelos se clasifican según el tamaño de sus partículas1, teniendo en cuenta tres componentes principales: Arcilla. Pasa por un tamiz de 0,002 mm (2m). Limo. Queda retenido en el tamiz de 0,002 mm, pero pasa a través del tamiz de 0,05 mm. Arena. Queda retenida en el tamiz de 0,05mm, aunque pasa a través del de 2mm2. 2.2.2 Materia orgánica de un suelo. La fracción orgánica del suelo está compuesta por: Residuos de plantas y animales. 24 Células microbianas. Productos resultantes del metabolismo microbiano, comúnmente llamado humus. El humus es materia orgánica que ha sufrido varias degradaciones y transformaciones. Está compuesto en su mayor parte por sustancias polimerizadas: compuestos aromáticos, polisacáridos aminoácidos, polímeros del ácido urónico y compuestos que contienen fósforo (Alexander, 1991). Mucha de la materia orgánica de un suelo, en particular el humus, es ligeramente soluble únicamente en agua y de alguna forma, resistente a la biodegradación. El material húmico tiene propiedades coloidales y una carga neta negativa; por lo tanto, la importancia que tiene en el proceso de formación de complejos organometálicos es considerable. 2.2.3 Estructura y agregación de un suelo. 2.2.3.1 Estructura de un suelo. La estructura de un suelo se puede definir como la disposición y organización de las diferentes partículas del mismo. Dicha estructura constituye una propiedad cualitativa y depende de la porosidad total de un volumen de suelo, de la forma de cada poro y de la distribución global de los tamaños de los poros. Como consecuencia, la estructura de un suelo afecta en gran medida a las propiedades mecánicas de éste, principalmente al movimiento de fluidos, incluidas la infiltración, la retención de agua y la aireación. 25 Aquellos suelos en los que las partículas están sueltas y no adheridas entre sí (como los depósitos no consolidados de polvo del desierto), se definen como carentes de estructura o como poseedores de una estructura de grano simple. En contraposición, los suelos con partículas estrechamente unidas (como en una arcilla seca), se definen como poseedores de una estructura en masa. Los suelos que poseen una estructura intermedia entre las dos anteriormente descritas, se denominan como agregados. 2.2.3.2 Agregación De Un Suelo. La agregación de un suelo consiste en la estabilización de la arena, limos y arcilla, mediante la formación de complejos de materia arcillosa – orgánica en agregados. En comparación con las partículas minerales, los agregados constituyen unidades estructurales temporales, en los cuales, su estabilidad se ve afectada en gran parte por la actividad microbiana, los cambios climáticos y por las prácticas agrícolas (tales como la preparación del terreno para su sembrado). La formación de agregados es el resultado de los enlaces iónicos originados entre arcillas, que poseen una gran superficie neta negativa, y materia orgánica, que también está cargada negativamente para valores de pH neutro, a través de los cationes polivalentes presentes en el suelo. Los agregados padecen una consolidación posterior debido a fuerzas físicas tales como evaporación, deshielo, el crecimiento de raíces y la compactación (Eweis et al., 1999). 2.2.3.3 Humedad de un suelo 26 El contenido de agua en un suelo, en peso o volumen, es función de la presión de succión o, como también se le conoce, el potencial de la matriz. Como concepto, el potencial de la matriz constituye una medida de la tenacidad con la que es agua es retenida en los poros o en la matriz de un suelo. Principalmente, el agua es retenida en los poros por efecto capilar y por adsorción. En la práctica, el potencial de la matriz es una medida de la succión necesaria para que un determinado volumen de suelo contenga una cierta cantidad de agua. La relación entre el potencial de la matriz y la humedad del suelo se representa gráficamente mediante la curva característica de la humedad de un suelo, la cual es única para cada tipo de suelo. Según los diferentes tipos de suelo, cuanto mayor sea el contenido de arcilla de un suelo, mayor será su capacidad de retener agua y la variación de la pendiente de la curva característica suelo – agua será más gradual (Eweis et al., 1999). 2.2.3.4 Gases de un suelo Existe una relación directa entre las cantidades de agua y aire contenidas en un volumen de suelo, ya que el espacio de poros que no ocupe el gas lo ocupa el agua. Los principales gases que conforman un suelo son, en esencia, los mismos que se encuentran en la atmósfera terrestre. El aire de la atmósfera está compuesto, aproximadamente, por un 78,08% de nitrógeno (N2), un 20,94% de oxígeno (O2), un 0,035% de dióxido de carbono (CO2) y un 0,93% de gases inertes como el argón y el neón. Sin embargo, las concentraciones relativas de dichos gases en el suelo, específicamente del O2 y del CO2, dependen de la aireación del mismo y de la actividad microbiana en todo el perfil. 27 En cuanto a la actividad microbiana. El suelo es un ambiente muy apropiado para el desarrollo de los microorganismos tanto eucariotas (algas, hongos, protozoos) como procariotas (bacterias y arqueas), además de encontrar virus y bacteriófagos. Todos estos organismos establecen relaciones entre ellos en formas muy variadas y complejas, también contribuyen a las características propias del suelo por su papel en la modificación de las fases sólida, líquida y gaseosa antes mencionadas. Los microorganismos desempeñan funciones de gran importancia en relación con procesos de edafogénesis; ciclos biogeoquímicos de elementos como el carbono, el nitrógeno, oxígeno, el azufre, el fósforo, el hierro y otros metales; fertilidad de las plantas y protección frente a patógenos; degradación de compuestos xenobióticos, etc. Aquellos suelos que en general están bien aireados pueden tener zonas microscópicas anaerobias en el interior de las formaciones de agregados, tales como los clostridium en las capas superiores de un suelo (Eweis et al., 1999). Las bacterias aerobias al mismo tiempo que colonizan zonas microscópicas, consumen todo el oxígeno allí almacenado, dando lugar a las condiciones que las bacterias anaerobias necesitan para desarrollarse y sobrevivir. Se calcula que la transición de condiciones aerobias a anaerobias tiene lugar para valores de la concentración de oxígeno inferiores al 1%; al mismo tiempo se cree que manteniendo una aireación adecuada del suelo, el porcentaje del espacio de los poros ocupado por aireno disminuiría por debajo de un 10%. Los gases se mueven bien en la fase aire, esto es, a través de los poros, suponiendo que están conectados entre sí y en contacto con la atmósfera, o en fase líquida en forma disuelta. La solubilidad de los gases en agua depende de varios factores, incluyendo el propio gas, la temperatura y las presiones parciales de los gases en el espacio de poros (Eweis et al., 1999). Sin embargo, la difusión de gases en agua es unas diez mil veces más lenta que en el aire. 28 3. Biorremediación. La Biorremediación, proviene del término de remediación que hace referencia a la aplicación de estrategias Fisico-Quimicas para evitar el daño y la contaminación del suelo y agua. La Biorremediación se concentra en la remediación biológica basada en la capacidad de los organismos vivos para degradar en forma natural ciertos compuestos contaminantes, los biológicos más utilizados frecuentemente son microorganismos o vegetales. Permite entonces reducir o remover los residuos potencialmente peligrosos presentes en el ambiente, y se puede utilizar para limpiar terrenos o aguas contaminadas. Su ámbito de aplicabilidad es muy amplio, pudiendo considerarse como objeto cada uno de los estados de la materia Sólido. Con aplicaciones sobre medios contaminados como suelos o sedimentos, o bien directamente en lodos, residuos, etc. Líquido. Aguas superficiales y subterráneas, aguas residuales. Gases. Emisiones industriales, así como productos derivados del tratamiento de aguas o suelos. También se puede realizar una clasificación en función de los contaminantes con los que se puede trabajar (Alexander, 1999; Eweis et al., 1999): Hidrocarburos de todo tipo (alifáticos, aromáticos, BTEX, PAHs,). Hidrocarburos clorados (PCBs, TCE, PCE, pesticidas, herbicidas,). Compuestos nitroaromáticos (TNT y otros). 29 Metales pesados. Estos no se metabolizan por los microorganismos de manera apreciable, pero pueden ser inmovilizados o precipitados. Otros contaminantes. Compuestos organofosforados, cianuros, fenoles, etc. Los microorganismos transforman y metabolizan aeróbicamente los hidrocarburos y otros compuestos orgánicos hasta dióxido de carbono, agua y fuentes de alimento para sustentar su crecimiento y reproducción, es decir, la biodegradación ocurre naturalmente. Es conocido que los microorganismos indígenas tienen la capacidad de adaptarse y eventualmente degradar cualquier compuesto orgánico natural sin asistencia del hombre; sin embargo, esta adaptación requiere la presencia de condiciones ambientales apropiadas tales como el pH, temperatura, el aceptor final de electrones (que en procesos aeróbicos es el oxígeno), concentraciones de contaminante no tóxicas para los microorganismos y adecuadas condiciones de humedad y conductividad del medio, entre las más importantes. La ausencia de alguna o varias de las anteriores condiciones puede limitar parcial o totalmente la actividad biológica y es cuando la mano del hombre juega un papel fundamental en la optimización del proceso, ya sea mejorando estas condiciones para aumentar la población de microorganismos (bioaumentación) y/o manipulando genéticamente los microorganismos para la degradación específica de algunos compuestos químicos. De todas las técnicas dirigidas a la limpieza de emplazamiento contaminado, la Biorremediacion por su interés potencial ha recibido una atención preferente en los últimos años por parte de los profesionales. 30 3.1 Antecedentes de la Biorremediacion. A mediados del siglo XX se desarrollaron las primeras investigaciones encaminadas a estudiar el potencial de los microorganismos para biodegradar contaminantes. Este “uso” intencionado recibió entonces el nombre de Biorremediacion ("bioremediation"). Las primeras técnicas que se aplicaron fueron similares al "landfarming" (“labranza”) actual y sus actores, lógicamente, compañías petrolíferas. Las primeras patentes, fundamentalmente para remediación de vertidos de gasolina, aparecen en los años 70. En los años 80 se generalizó el uso del aire y peróxidos para suministrar oxígeno a las zonas contaminadas mejorando la eficiencia de los procesos degradativos. Durante los años 90 el desarrollo de las técnicas de "air sparging" (burbujeo de oxígeno), hizo posible la Biorremediacion en zonas por debajo del nivel freático. Al mismo tiempo, la implementación en la práctica de aproximaciones experimentales en el laboratorio permitió el tratamiento de hidrocarburos clorados, los primeros intentos con metales pesados, el trabajo en ambientes anaerobios, etc. Paralelamente, se desarrollaron métodos de ingeniería que mejoraron los rendimientos de las técnicas más populares para suelos contaminados ("landfarming", "composting", etc.). En la actualidad, la Biorremediacion enfrenta un nuevo reto: el de convencer a las compañías y a los organismos oficiales de su alto potencial. En algunos países, la Biorremediacion fue una técnica poco reconocida y marginada, hoy en día se ha convertido en una verdadera industria. Esta “industria” busca seguir mejorando en sus líneas interdisciplinares, que se pueden resumir en los siguientes puntos: 31 Integración en el proceso de técnicas innovadoras que ayuden a comprender y controlar los fenómenos de transporte de nutrientes y otros posibles aditivos. Desarrollo de técnicas rápidas de biología molecular que permitan caracterizar las poblaciones indígenas de los emplazamientos contaminados, así como su potencial enzimático. Exploración de las implicaciones del concepto de biodisponibilidad ("bioavailability") definido por las propiedades físico-químicas de los contaminantes. Se trata de un factor que en muchos casos está limitando la biodegradación y en otros reduciendo la toxicidad de los contaminantes. Desarrollo definitivo de técnicas de bioaumentación realmente útiles. 3.2 Ventajas y Desventajas de la Biorremediación. 3.2.1 Ventajas Suele tener costos más bajos, provoca una menor intrusión en el sitio contaminado y en consecuencia un menor daño en el proceso de destrucción de los productos contaminados. Se puede realizar en el lugar, lo cual permite que el uso y fabricación industrial del sitio pueda continuar mientras el proceso de la Biorremediacion se está aplicando. 32 Puede ser útil para retirar algunos de los componentes tóxicos del petróleo. Ofrece una solución más simple y completa que las tecnologías Fisico-Quimicas. La Biorremediacion puede ser integrada con otras tecnologías en cadena, favoreciendo el tratamiento de los residuos moléculados. 3.2.2 Desventajas Cuando la Biorremediacion se aplica sin conocer los procesos microbianos involucrados, las vías metabólicas y químicas participantes podrían conducir a una situación peor a la ya existentes. No es factible en lugares donde por razones económicas, políticas o ambientales es necesaria una rápida limpieza del lugar contaminado; ya que, en los procesos biológicos, en algunas ocasiones son más lentas esta técnica de Biorremediacion. 3.3 Factores que condicionan la Biorremediación de un suelo. La biodegradabilidad de una mezcla de hidrocarburos presente en un suelo contaminado depende de diversos factores, los cuales como pueden clasificarse en cuatro grupos: Medio ambientales. Físicos. Químicos. Microbiológicos. 33 3.3.1 Factores medio ambientales Los factores medio ambientales son aquellos necesarios a la hora de proporcionar las condiciones óptimas para el crecimiento de los microorganismos que llevan a cabo la recuperación. Los microorganismos son muy sensibles a los cambios de temperatura, pH, disponibilidad de nutrientes, oxígeno y humedad. El pH. Afecta significativamente la actividad microbiana. En consecuencia, cuantomayor sea la diversidad de microorganismos existentes, potencialmente mayor será el rango de tolerancia. No existen unas condiciones preestablecidas que sean óptimas en todos los casos, pero en términos generales el crecimiento de la mayor parte de los microorganismos es máximo dentro de un intervalo de pH situado entre 6 y 8. En general, el pH óptimo para las bacterias heterótrofas es neutro (pH 6 – 8), mientras que es más ácido para los hongos (pH 4 – 5). El pH óptimo establecido para procesos de biodegradación es neutro (pH 7,4 – 7,8) Así mismo el pH también afecta directamente en la solubilidad del fósforo y en el transporte de metales pesados en el suelo. La acidificación o la reducción del pH en el suelo se puede realizar adicionando azufre o compuestos del azufre. Temperatura: Es uno de los factores ambientales más importantes que afecta la actividad metabólica de los microorganismos y la tasa de biodegradación. Generalmente, las especies bacterianas crecen a intervalos de temperatura bastante reducidos, entre 20 y 30 ºC (condiciones mesófitas), decreciendo la biodegradación por desnaturalización de las 34 enzimas a temperaturas superiores a 40 ºC e inhibiéndose a inferiores a 0 ºC. Sin embargo, también se ha dado la biodegradación de hidrocarburos a temperaturas extremas: o 10ºC en suelos subárticos y subalpinos o 5ºC en suelos árticos o 60ºC por una cepa termófila de Bacillus stearothermophilus aislada de un suelo contaminado con crudo de petróleo del desierto kuwaití. Humedad: Los microorganismos requieren unas condiciones mínimas de humedad para su crecimiento. El agua forma parte del protoplasma bacteriano y sirve como medio de transporte a través del cual los compuestos orgánicos y nutrientes son movilizados hasta el interior de las células. Un exceso de humedad inhibirá el crecimiento bacteriano al reducir la concentración de oxígeno en el suelo (el rango varía en función de la técnica). Por lo anterior, la humedad del suelo puede limitar de forma severa la biodegradación, fundamentalmente en suelos superficiales afectados por oscilaciones importantes en el contenido de agua. No obstante, el nivel óptimo de humedad depende de las propiedades de cada suelo, el tipo de contaminación y si la biodegradación es aeróbica o anaeróbica. El oxígeno: Es el aceptor final de electrones generalmente empleado en procesos biológicos y también es necesario en determinados tipos de reacciones de oxidación – reducción catalizada por enzimas. Los microorganismos, oxidan compuestos orgánicos o 35 inorgánicos, obteniendo así la energía necesaria para su crecimiento. El proceso de oxidación da lugar a electrones que intervienen una cadena de reacciones en el interior de la célula y, al final, deben ser vertidos en el entorno. El aceptor final de electrones es el receptor de los mismos y, en el caso de un metabolismo aerobio, O2 es el aceptor y H2O es el producto. La mayor parte de hidrocarburos presentes en los productos petrolíferos son degradados con mayor extensión y rapidez de forma aeróbica (O2 como aceptor final de electrones), ya que en ausencia de O2, y en presencia de aceptores de electrones alternativos (NO3-, SO42-, CO2, Mn4+ y Fe3+) los hidrocarburos pueden ser degradados, pero con unas tasas de biodegradación muy inferiores a las aeróbicas Necesidad de nutrientes inorgánico: El metabolismo microbiano está orientado a la reproducción de los organismos y éstos requieren que los constituyentes químicos se encuentren disponibles para su asimilación y sintetización. Los nutrientes principalmente requeridos son el fósforo y el nitrógeno, por tanto, las concentraciones asimilables de dichos elementos presentes en el suelo, suelen ser limitantes para un incremento y activación de la población microbiana, mientras que otros nutrientes esenciales como el Ca2+, Na+, Fe2+ y SO42- ya están presentes en cantidades suficientes. La adición de fuentes de N y P inorgánicas, generalmente tiene un efecto positivo incrementando las poblaciones microbianas y las tasas de biodegradación de hidrocarburos en suelos contaminados. Las proporciones molares de C: N: P, descritas en la bibliografía, respecto al 36 contenido de carbono a degradar son muy distintas; el rango normal depende del sistema de tratamiento a emplear, siendo de modo habitual 100:10:1. Aunque en general la adición de fuentes de N y P (nitrógeno y fosforo) al suelo es beneficiosa para los procesos de biodegradación, de igual manera, el uso excesivo de nutrientes inorgánicos también puede inhibir los procesos de biodegradación. Para evitar el exceso de nutrientes, así como la pérdida de los mismos por lixiviación, también se han utilizado fertilizantes inorgánicos oleofílicos de liberación lenta para la Biorremediacion de suelos contaminados. Además, es importante destacar que la acción de los nutrientes inorgánicos puede estar limitada debido a la interacción química con los minerales del suelo. (El amonio se puede unir a las arcillas por intercambio catiónico y el fosfato puede unirse y precipitar con iones calcio, hierro y aluminio) (Morgan y Watkinson ,1992). 3.3.2 Factores físicos Los factores físicos de mayor importancia en la Biorremediacion son la biodisponibilidad, la presencia de agua y la provisión de un aceptor de electrones adecuado, por ejemplo, el oxígeno. Biodisponibilidad: La tasa de degradación depende tanto de la capacidad de transporte y del metabolismo microbiano, como de la transferencia de masas del compuesto. La relación entre estos factores se conoce como biodisponibilidad. En los suelos uno de los factores limitantes para la biodegradación es la transferencia de masas, ya que los microorganismos de los suelos contaminados, suelen tener amplias capacidades biodegradativas al estar expuestos a una gran variedad de compuestos orgánicos 37 diferentes. Por lo tanto, la adsorción, disolución y la difusión son fenómenos, propios de la transferencia de masas, que condicionan la biodisponibilidad de los contaminantes Un fenómeno que afecta de forma negativa a la biodisponibilidad de los contaminantes es el envejecimiento o ageing que se define como la pérdida de la biodegradabilidad de los compuestos a lo largo del tiempo en el suelo (aunque la población microbiana mantenga intacto su potencial catabólico), el cual es más importante en suelos con elevado contenido en materia orgánica . Este efecto se produce por una serie de fenómenos como son: la adsorción con la materia particulada del suelo, absorción a la materia orgánica del suelo, a la baja difusividad de los compuestos, principalmente desde los microporos; a la disolución en fases líquidas no acuosas, o a la formación de uniones covalentes con la materia orgánica e inorgánica del suelo. Presencia de agua: Ésta es necesaria ya que, como se ha visto con anterioridad, los microorganismos toman en carbono orgánico, los nutrientes inorgánicos y los aceptores de electrones, necesarios para el crecimiento microbiano, de la fase líquida. Por lo tanto, el agua debe estar en contacto con los contaminantes estar presente en cantidades que permitan el desarrollo de las comunidades microbianas. Sin embargo, el agua puede llegar a inhibir el flujo de aire y reducir el sumito de oxígeno necesario para la respiración microbiana. Existen valores de humedad óptima para Biorremediacion de terrenos no saturados, que habitualmente están entre 150 y 250 grados de agua por kg de terreno seco. 38 3.3.3 Factores Químicos El factor químico más importante en la Biorremediacion es la estructura molecular del contaminante, cómo ésta afecta a sus propiedades químicas y físicas y su capacidad para ser biodegradado. Factores tales como la solubilidad, el grado de ramificación, el grado de saturación y la naturaleza yel efecto de los sustituyentes. o Estructura química: La inherente biodegradabilidad de un hidrocarburo depende, en gran medida, de su estructura molecular. Siendo los parámetros que más van a afectar la halogenación, la existencia de ramificaciones, la baja solubilidad en el agua y la diferente carga atómica. De las distintas familias de hidrocarburos del petróleo, la n-alcano y los alcanos ramificados (isoprenoides) de cadena intermedia (C10-C20) son los sustratos más fácilmente degradables por los microorganismos del suelo, y que por lo tanto tienden a ser eficazmente biodegradado. Sin embargo, los alcanos de cadena larga (>C20) son más difíciles de degradar debido a su (elevado peso molecular) y su baja solubilidad en agua. Los cicloalcanos, por norma general, se degradan más lentamente que la n-alcano y alcanos ramificados. 3.3.4 Factores Microbiológicos El factor microbiológico más importante en la Biorremediacion es la transformación biológica de compuestos orgánicos, catalizada por acción de las enzimas. La biodegradación de un compuesto 39 específico es frecuentemente un proceso que se realiza paso a paso en el cual se involucran muchas enzimas y muchos organismos. Las enzimas son específicas en términos de los compuestos que atacan y las reacciones que catalizan. Más de una enzima es normalmente requerida para romper una sustancia orgánica. Frecuentemente, los organismos que tienen las enzimas para degradar están presentes en el suelo. 3.4 Tipos de Biorremediación. En la Biorremediacion se emplean mezclas de ciertos microorganismos o plantas capaces de degradar o acumular sustancias contaminantes tales como metales pesados y compuestos orgánicos derivados del petróleo. En estos procesos se pueden utilizar tres tipos: Figura 1. Tipos de Biorremediación Fuente: Elaboración propia BIORREMEDIACION DEGRADACIÓN ENZIMATICA REMEDIACIÓN MICROBIANA FITORREMEDIACIÓN 40 3.4.1 Degradación Enzimática Este tipo de degradación consiste en emplear enzimas como las bacterias que generalmente son percibidas como microorganismos dañinos causantes de diversas enfermedades para el ser humano, sin embargo, son capaces de procesar químicamente sustancias debido a su metabolismo y pueden procesar fácilmente en el sitio contaminado; Con el objetivo de degradar las sustancias nocivas. Estas encimas se obtienen en cantidades industriales por bacterias que se producen naturalmente, o por bacterias modificadas genéticamente que se comercializan por empresas Biotecnológicas. Estas enzimas se usan en tratamientos en donde los microorganismos no pueden desarrollarse debido a la alta toxicidad de los contaminantes, entre ellas tenemos: Dietza sp, Gordonia alkanivorans, Micobacterium giluum, Sphigomonas sp. 3.4.2 Fitorremediación En este proceso se utilizan plantas para limpiar ambientes contaminados, aunque está en desarrollo se constituye en una estrategia muy interesante debido a la capacidad que tiene algunas especies vegetales en acumular, absorber y/o tolerar altas concentraciones de contaminantes como los metales pesados, compuestos orgánicos y radioactivos. Las ventajas que ofrece la Fitorremediación frente a los procesos descritos anteriormente son el bajo costo y la rapidez con que pueden llevarse a cabo ciertos procesos degradativos. Según la planta y el agente contaminante, la Fitorremediación puede producirse por: 41 Acumulación del contaminante en las partes aéreas de la planta (por ejemplo, metales pesados), Absorción, precipitación y concentración del contaminante en raíces (por ejemplo, metales pesados, isótopos radioactivos) Reducción de la movilidad del contaminante para impedir la contaminación de aguas subterráneas o del aire (por ej. lagunas de deshecho de yacimientos mineros) Desarrollo de bacterias y hongos que crecen en las raíces y degradan contaminantes (por ej. hidrocarburos del petróleo, benceno, etc.). Captación y modificación del contaminante para luego liberarlo a la atmósfera con la transpiración (por ej. mercurio, selenio y metales clorados) captación y degradación del contaminante para originar compuestos menos tóxicos (por ej. pesticidas, herbicidas, TNT, etc.). 3.4.3 Remediación Microbiana Se usan microorganismos directamente en el foco de la contaminación, los microorganismos utilizados pueden ser autóctonos (ya existentes) o pueden prevenir de otros ecosistemas, en cuyo caso deben ser agregados o inoculados. Esta descontaminación se produce a la capacidad natural que tienen ciertos organismos de transformar moléculas orgánicas en sustancias más pequeñas, que resultan menos toxicas. 42 Existen hongos y bacterias que pueden degradar con facilidad el petróleo y sus derivados, ejemplo el benceno, tolueno entre otros. Los metales pesados como el cadmio, mercurio y el uranio no son biodegradables, pero las bacterias pueden concentrarlos de tal manera de aislarlos para que fácilmente se puedan eliminar. 3.5 Tecnologías de Biorremediación. Existen dos tipos de tecnologías: 3.5.1 Biorremediación in-situ Esta tecnología busca estimular y crear un ambiente favorable para el crecimiento microbiano a partir de los contaminantes. Este objetivo generalmente pude lograrse con el suministro de aire u oxigeno (Bioventeo), nutrientes (bioestimulación), microorganismos (bioaumentación) y/o humedad, además del control de temperatura y PH. o Bioaireación o bioventeo: Es una variante de la técnica de extracción de gas con vapor (“Soil Gas Extraction” o “Volatilización”), que consiste en suministrar aire al terreno contaminado para promover la actividad de los microorganismos presentes en el subsuelo y biodegradar los hidrocarburos. El aire se suministra mediante un sistema de extracción e inyección. Para diseñar estos sistemas es necesario conocer la permeabilidad del suelo a los gases, con el fin de determinar el radio de influencia de los pozos de venteo, la distancia entre pozos y las 43 dimensiones de los equipos de inyección. La bioaireación generalmente se lleva a cabo en áreas poco profundas y pequeñas; a menudo es factible la instalación de barreras para guiar el flujo, el uso de cubiertas, un control intensivo, un plan de muestreo y un sistema de ventilación. Una característica determinante en la selección de esta técnica es el tipo de contaminante, puesto que es de mayor efectividad donde los contaminantes tienen baja volatilidad. Además, se deben tener en cuenta las características físicas del suelo, la profundidad de la zona contaminada y el potencial para transportar contaminantes fuera de la zona. Ventajas. o Es una técnica altamente efectiva para tratar contaminaciones con compuestos con baja presión de vapor (menos de 1 mmHg), ya que su tasa de degradación es mucho mayor que la de volatilización (Matthews, 1993). o Como todos los tratamientos “In Situ”, cuando los costos de excavación son altos el bioventeo puede ser una alternativa económicamente interesante. No requiere área adicional para llevar a cabo el tratamiento, ni el uso de maquinaria pesada. Desventajas. Las limitantes de este método son: o Tipo y concentración del contaminante. o Perdida de nutrientes en el subsuelo. 44 o Bajo contenido de humedad del suelo y la dificultad de lograr el caudal de aire a través de la zona contaminada; por ello requiere características especiales del suelo en cuanto a humedad, porosidad, conductividad hidráulica, etc. o Requiere largos períodos de tiempo para obtener la concentración final de hidrocarburo deseada. Los tiempos de limpieza pueden durar de meses a años. o La descontaminación puede llevarse a cabo por efecto de la volatilización de compuestos más quepor su biodegradación. o Pueden ser inseguros en cuanto a uniformidad, en las características del suelo. o Dificultad para verificar la eficacia del proceso. Bioestimulación. En este sistema, el agua subterránea es conducida a la superficie por medio de un sistema de pozos de extracción, se acondiciona en un reactor para volverla a inyectar y estimular la degradación bacteriana de los contaminantes del subsuelo y del acuífero. En el reactor en superficie se agregan al agua: nutrientes, oxígeno, microorganismos previamente seleccionados y adaptados, y el efluente se retorna al subsuelo por medio de pozos de inyección, aspersores superficiales o galerías de infiltración distribuidas a lo largo y ancho del sitio que se requiere remediar. Las características determinantes en la selección, el éxito o el fracaso de esta técnica de remediación son: 45 o Tipo de suelo. Los suelos deben ser lo más homogéneos posible, con un valor de porosidad y permeabilidad al aire adecuado (> 10-10 cm2). o Deben existir unas condiciones óptimas de pH (6 y 8), de humedad (12-30% en peso), temperatura entre 0 y 40 ºC y los nutrientes del suelo en relación N: P de 10:1. Ventajas. o Esta técnica es muy útil en el tratamiento de extensas zonas contaminadas de centros industriales donde no es posible o conveniente parar el proceso operativo para realizar el tratamiento requerido. Desventajas. o Esta tecnología no es recomendable para suelos arcillosos, altamente estratificado o demasiados heterogéneosos, ya que pueden provocar limitaciones en la transferencia del O2 Bioaumentación Otras líneas de investigación han llevado a la introducción de microorganismos aclimatados o incluso modificados genéticamente en el medio, con el fin de mejorar la biodegradación. Esta técnica funciona en condiciones de laboratorio o birreactor, pero en ambientes externos (suelo o agua) su implantación depende de una serie de factores (Alexander, 1999). 46 o Presencia de toxinas, nutrientes y condiciones ambientales, movilidad y/o distribución de los microorganismos y la presencia de abundante materia orgánica. o Los microorganismos añadidos deben sobrevivir a los depredadores y competir con éxito con la población autóctona antes de ocupar los nichos potenciales. o En general, los ambientes más selectivos y la utilización de consorcios microbianos favorecen la bioaumentación. Ventajas. o No requiere área adicional para llevar a cabo el tratamiento, ni el uso de maquinaria pesada. Desventajas. o El tamaño de la población de microorganismos degradadores crece rápidamente como respuesta a la contaminación del medio y es muy difícil, si no imposible, incrementar la población microbiana más allá de esos valores. 3.5.2 Biorremediación Ex – situ Se incluye procesos de biodegradación en fase de lodos, en donde el suelo se mezcla con agua (para formar lodo), microrganismos y nutrientes; y de biodegradación en fase sólido, donde el 47 suelo se coloca en una celda de tratamiento (composteo) o sobre membranas impermeables (biolabranza) donde se agrega agua y nutrientes. Algunas técnicas son: Disposición sobre el suelo: También conocido como “Landfarming”, tratamiento en lechos o tratamiento vía sólida. Esta es la técnica más usada para la biorremediación de los lodos contaminados con hidrocarburos y de otros desechos de la industria petrolera. Esta técnica consiste en excavar los suelos contaminados, extenderlos sobre un área suficientemente amplia y estimular las variables de incidencia en el proceso para promover la actividad de los microorganismos encargados de degradar los hidrocarburos. Antes de extender el suelo contaminado se deben adecuar las condiciones de la superficie para controlar los lixiviados y las aguas lluvias. Una vez extendido el suelo contaminado se irriga con las soluciones de nutrientes, los microorganismos y los aditivos químicos en el caso que sean necesarios para la biodegradación. Periódicamente se debe airear el suelo para suministrarle oxígeno, con la ayuda de tractores y retroexcavadoras (aireación mecánica) o sistemas de inyección de aire comprimido. Además, el espesor del suelo extendido debe ser menor de 70 u 80 cm, con el fin de permitir la transferencia de oxígeno del aire atmosférico a la pila del suelo, El sitio donde se realice el tratamiento debe ser adecuado para el manejo de aguas lluvias y control de agua de escorrentía. Los factores a tener en cuenta en la aplicación del “Landfarming” son: La existencia de unas condiciones geológicas y geoquímicas favorables. 48 o El manejo de un consorcio microbiano sobre la utilización de un solo morfo tipo, debido a que los morfo tipos al estar en grupo pueden tolerar mejor los cambios físico-químicos en el campo y sus actividades metabólicas pueden interactuar entre sí para la parcial o final biorremediación. o Conocer las condiciones ambientales en las cuales se desea que los morfo tipos trabajen, para así poder optimizar la biorremediación, cambiando los posibles parámetros físicos o químicos que puedan ir en contra de la actividad microbiana en el material a biorremediar o en el ambiente. o Resaltar la importancia que tiene la selección de microorganismos autóctonos (aislados del lugar para la biorremediación), debido a que estos morfo tipos se encuentran mejor adaptados al contaminante; a diferencia de morfo tipos foráneos, que, aunque con una gran actividad biorremediadora, pueden no funcionar bajo las condiciones ambientales del lugar. Ventajas. o Es económico con respecto a otras técnicas de biorremediación. o Es un proceso considerado de bajo nivel tecnológico que no requiere exigentes consideraciones de ingeniería, y a la vez permite una fácil manipulación y control de las variables de diseño y operación. Desventajas. 49 o Requiere grandes extensiones de terreno para disposición de suelos y no es viable si no se cuenta con suficiente área. o Cuando los contaminantes son hidrocarburos livianos la remediación puede ser acelerada por su volatilización, lo cual generaría problemas con las autoridades ambientales donde las regulaciones de emisiones atmosféricas son exigentes. o Cuando la contaminación es profunda los costos de excavación y movimiento de tierras pueden ser altos. Bioceldas o biopilas: La técnica conocida como bioceldas o biopilas es un tratamiento de biorrecuperación en condiciones no saturadas, que consiste en la reducción de la concentración de contaminantes derivados del petróleo en suelos excavados mediante el uso de la biodegradación a partir de la construcción de un sistema cerrado que permita controlar lixiviados, hidrocarburos volátiles y algunas variables de diseño mediante el suministro de nutrientes y oxígeno a través de la pila del suelo. La técnica consiste en la formación de pilas de material biodegradable de dimensiones variables, formadas por suelo contaminado y materia orgánica (compost) en condiciones favorables para el desarrollo de los procesos de biodegradación de los contaminantes. En el fondo de la pila el sistema cuenta con un aislante que generalmente son geo membranas o canales plásticos para el control de lixiviados. Estas pilas de compost pueden ser aireadas de forma activa, volteando la pila, o bien de forma pasiva, mediante tubos perforados de aireación, con distribución permanente de nutrientes, microorganismos y aire. En principio, las biopilas se pueden aplicar a la mayoría de los compuestos orgánicos, siendo 50 más eficaz en los compuestos de carácter más ligero. Entre los factores que influyen en la aplicación de las biopilas se destacan: o Los hidrocarburos deben ser no halogenados y deben encontrarse en el suelo en concentraciones menores a 50.000 ppm. o Dada la necesidad de excavación y posteriordepósito del suelo contaminado, se requiere una superficie de trabajo relativamente grande cuyas dimensiones dependen del volumen de suelo a tratar. o Necesidad de una densidad de poblaciones microbianas (>1.000 CFU/gramo de suelo), condiciones de humedad (40 a 85% de capacidad de campo), temperatura (10 a 45ºC), textura (baja proporción de arcillas), pH del suelo adecuadas (6 a 8) y baja presencia de metales pesados (< 2.500 ppm). o La concentración de nutrientes en el suelo cuyo rango normal de C: N: P sea de 100:10:1. Ventajas. o Esta técnica es muy eficiente en el tratamiento de residuos con bajas concentraciones de hidrocarburos. o Por ser un sistema cerrado permite un mayor control de las variables del proceso, como el control de condiciones climatológicas adversas (baja temperatura o alto régimen pluviométrico). o Cuando no se dispone de espacio suficiente para extender el suelo, este sistema permite construir pilas de suelo cuatro o cinco veces más altas que en una disposición sobre el suelo (ocupa diez veces menos área). 51 Desventajas. o Si en el proceso se generan gases o vapores de hidrocarburos volátiles regulados por la autoridad ambiental, o las condiciones climatológicas de la zona pueden afectar negativamente la eficiencia del proceso, la pila del suelo se debe cubrir con membranas o poner techo de forma similar a los invernaderos. Los vapores generados en el proceso se deben colectar y tratar antes de ser emitidos a la atmósfera. Lo que incurre a costos adicionales. o Como todos los tratamientos “Ex Situ”, cuando la contaminación es muy profunda, el movimiento de tierra puede requerir costos más altos. Tratamiento de biosuspensión: También conocido como sistema birreactor o contacto líquido-sólido. El procedimiento consiste en excavar el suelo contaminado y luego introducirlo en un reactor añadiendo nutrientes, agua, y los cultivos microbianos adecuados para que se lleve a cabo la degradación. Se mezcla bien y se airea la suspensión hasta que las transformaciones de los compuestos seleccionados para su eliminación alcanzan el nivel deseado. A continuación, se detienen el mezclado y la aireación, y se deja a los sólidos separarse de los fluidos por sedimentación. El sedimento es retirado y, si la transformación ha tenido éxito, el suelo se devuelve a su lugar de origen, mientras que los líquidos se tratan como aguas residuales. Ventajas. o En comparación con otros procesos de tratamiento, los reactores vía suspensión proporcionan el mayor contacto entre los contaminantes, los microorganismos, el oxígeno, el agua y los nutrientes. 52 o La capacidad de controlar los sistemas del tratamiento vía suspensión es mucho mayor y por tanto puede ser la tecnología más efectiva. o El tratamiento vía suspensión puede aplicarse en particular a los suelos contaminados con residuos oleosos y de consistencia alquitranada (siendo estos compuestos difíciles de biodegradar). o Es más rápido y requiere menos superficie que otros sistemas. Desventajas. o Debido al energético mezclado y a la aireación forzada se favorece el escape de emisiones de aire, por ello la suspensión no es una buena elección para suelos donde los compuestos volátiles sean mayoría. o Esta técnica demanda mayor cantidad de dinero a comparación de otras técnicas de biodegradación. 3.6 Microorganismos degradadores de Petróleo Los llamados organismos hidrocarbuclásticos son bacterias y hongos capaces de degradar petróleo fisiológica y metabólicamente. Se distinguen 3 grupos de microorganismos: 53 Figura 2. Microorganismos que degradan los Hidrocarburos Fuente: Elaboración propia Bacterias: los Pseudomonas, Rhdococcus, Acnetobacter o Bacillusentre son bacterias capaces de degradar el petróleo por poseer el mayor número de especies con esta capacidad. Hongos: encontramos varios géneros de hongos capaces de degradar petróleo en este caso los Aspergillus, Penicillium y cándida (este último dentro de las levaduras). Algas microscópicas: fundamentalmente cianobacterias. En ecosistemas no contaminados, los microrganismos degradadores de hidrocarburos constituyen menos del 1% de la comunidad microbiana; mientras que en ecosistemas contaminados con hidrocarburos pueden constituir el 100% de la comunidad microbiana. Clonación de los genes ARNr 16s DIVERSIDAD DE MICROORGANISM OS QUE DEGRADAN EL PETROLEO En suelos: Pseudomonas, Rhdococcus, Acinetobacter Agua: bacterias de los géneros Alcanlvorax, cycloclasticus, pseudoalteromonas entre otras TECNICAS MOLECULARES METODOS CLASICOS 54 Las poblaciones dominantes en estas comunidades poseen características nutricionales, relacionadas al contaminante y puede ser también resistentes a muchas formas de estrés ambientales. Cuando la fuente de carbono es un substrato insoluble como un hidrocarburo, los microorganismos facilitan su difusión hacia la célula, produciendo substancias como carbohidratos, ácidos grasos, enzimas y biosurfactantes. 55 5. Análisis Para El Presente Estudio 4.1 Actividad petrolera en los Municipios que conforma el Bloque CPO9 La actividad petrolera data de los años cincuenta, iniciándose en el municipio de Castilla la Nueva, donde se estableció el campo de explotación petrolera pertenecientes entonces a la empresa Chevron Petroleum of Colombia hoy propiedad de ECOPETROL S.A, en las últimas décadas se incrementó la exploración y producción petrolera en el departamento especialmente en los municipios del bloque CPO9. La actividad petrolera constituye el primer renglón económico del departamento del Meta, con un aporte al PIB departamental del 70%. 4.1.1 Nuevas exploraciones petroleras Desde principios del 2008 la empresa ECOPETROL S.A en socio con la petrolera Talismán Energy, recibió en concesión el Bloque CPO9 (territorio para la exploración y explotación petrolera). Ubicado en el Departamento del Meta en este territorio se encuentra distintas áreas para el desarrollo de esta actividad. En el 2011 después de haber realizado estudios sísmicos. La empresa ECOPETROL S.A contrato estudios socio ambientales para solicitar licencia ambiental en el área de perforación denominada APE-CPO9 ubicado en la jurisdicción de los municipios de Acacias, Castilla la Nueva, Guamal, Cubarral y san Martin de los llanos del departamento del meta. (Gutiérrez J, 2014). 56 El ANLA (2011) afirma que mediante Resolución No. 331 del 15 de mayo de 2012 otorgó Licencia Ambiental a ECOPETROL S.A. para el proyecto denominado “Área de Perforación Exploratoria CP09”. Figura 3. Mapa del Bloque CPO9, comprende los siguientes municipios ( Acacias, Guamal, Castilla la nueva, Cubarral y San Martin de los Llanos) Fuente: Cartilla de divulgación del CPO9, Ecopetrol 2012 57 4.1.2 Contaminación por hidrocarburos en los municipios del bloque CPO9 Un derrame que dio mucho de qué hablar ocurrió en 2009, cuando una sustancia tóxica afectó 20 de los 54 km del río Orotoy. En esa ocasión, Ecopetrol fue señalado por el Ministerio de Ambiente como responsable de afectaciones en las fuentes hídricas por contaminación, por limitar su uso para las poblaciones ribereñas, por provocar mortandad de peces y por haber usado sustancias químicas sin contar con un plan de contingencia. Figura 4. Contaminación rio Orotoy Fuente: fotografia tomada por RCN Otras contingencias tuvieron lugar entre septiembre de 2010 y enero de 2014 en el bloque Cubarral, como se puede ver en el Auto 511 de 2015 de la ANLA. Cuatro de los derrames ocurridos afectaron al Caño Alfije, uno al Caño Lejía y al Caño San Luis, y el